煤礦井下探測與搜救機器人機械系統(tǒng)設計與研究.pdf

1、煤礦井下探測與搜救機器人能夠在事故發(fā)生后輔助或替代救援人員進入災區(qū)進行事故處理,降低災害損失,減小救援的危險性。本文基于煤礦事故發(fā)生后井下探測與搜救機器人使用策略和作用的分析,考慮煤礦事故發(fā)生后井下的地形環(huán)境和氣體環(huán)境,結合國內外煤礦救災機器人、危險環(huán)境作業(yè)機器人的研究現(xiàn)狀,對煤礦井下探測與搜救機器人機械系統(tǒng)進行設計與研究,采用機構創(chuàng)新與推衍、機構學分析、理論研究與建模、虛擬樣機建模仿真和物理樣機測試等研究方法,分析煤礦救災機器人機械系

2、統(tǒng)的移動機構、支撐機構、操作機械臂和驅傳動裝置等功能系統(tǒng)與部件。工作主要從以下幾個方面展開:
　　首先,結合陳家山煤礦瓦斯爆炸事故及其救援情況分析了救災機器人的使用策略及作用,分析了煤礦救災機器人所需要面對的井下地形環(huán)境與巷道中的氣體環(huán)境,提取井下地形幾何要素和特征參數(shù),建立煤礦救災機器人ADAMS虛擬通過性測試場地。針對障礙特征要素,歸納出煤礦救災機器人的性能參數(shù)表,以供設計煤礦救災機器人時針對具體環(huán)境而完善后作為設計任務書用。

3、
　　其次,在對煤礦救災機器人工作對象分析的基礎上,根據(jù)移動機器人運行的地形條件,綜合考慮爬越障礙、地形適應、主體平穩(wěn)等因素,提出新型6輪導桿聯(lián)動式懸架。論述了懸架的組成和工作原理,建立主體在路面上運行時車輪、地面與懸架組成的機構學模型,并從自由度計算的角度分析懸架的地形適應性。運用Pro/E軟件建立懸架參數(shù)化模型,并導入Pro/Mec ha nis m中進行了單輪、雙輪提升車體平穩(wěn)性仿真試驗,測出前、中、后輪高度獨立和共同變化時

4、車體的歐拉角;然后在ADAMS中仿真了懸架在綜合地型下的通過性。還對移動機構通過凸起地形時各個車輪的載荷分配特性進行了仿真分析。綜合仿真方面的研究工作,對移動機器人性能的評價和分析方法作了歸納和總結。
　　再次,基于移動機構平面運動學模型求解的基本假設,建立了單側導桿聯(lián)動懸架的平面運動學模型。分析了在固定曲線上作純滾動剛體的運動學求解方法,得出接觸點弧坐標變化率的表達式。結合車輪在地形上純滾動的情況,用積分定義遞推求解算法準確地求

5、出車輪與地面接觸點的坐標與時間的函數(shù)關系。用法向輪徑偏移法推導了輪心坐標與接觸點坐標的關系,使輪心軌跡方程得以確定,在機構求解中作為一個約束方程出現(xiàn)。將導桿聯(lián)動式懸架分成后輪腿和其余兩部分求解,列出機構約束方程進行計算,用MATLAB非線性方程組求解算法在積分定義遞推求解循環(huán)中對各個運動量進行求解,完成參數(shù)的后處理,并用ADAMS仿真結果驗證理論模型的正確性與計算結果的準確性。還推導了三輪心組成定圓曲率評價懸架地形適應性的指標方法,對懸

6、架的地形適應性作了進一步分析。
　　然后,根據(jù)被動搖臂懸架連接車體與左右兩側懸架的支撐機構的設計要求,提出一種對稱的空間連桿式均角平衡機構,從自由度計算的角度分析機構的輸入輸出關系,給出車體位姿與搖臂位姿的關系表達式。然后運用旋轉變換的方法建立均角平衡機構車體與左右搖臂的俯仰角位移方程。運用Pro/Mec ha nis m仿真的方法驗證了理論模型的正確性,并運用驗證后的模型分析了部分參數(shù)對該均角平衡機構線性均化特性的影響和部分關節(jié)

7、擺角范圍以指導結構設計。
　　最后,根據(jù)煤礦井下探測與搜救機器人到達任務地點后執(zhí)行任務的操作要求,提出一種前級能抱舉較重物體,而后級又能精確執(zhí)行操作的機械臂結構,提取了機械臂的主要參數(shù)并對前級抱舉機構抱起80kg物體過程中所需的驅動扭矩進行了計算。然后對救災機器人機動平臺驅傳動系統(tǒng)的結構進行介紹,并展示了機動平臺的物理樣機測試情況,使用樣機進行了爬坡、越障性能試驗,測試結果表明:基于該懸架的移動機器人地形適應性強,各輪載荷分配均勻